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1、石羊河流域地下水时空动态研究答 辩 人：朱小燕 指导老师：马金辉副教授地理信息系统专业硕士研究生学位论文答辩 2008年6月31号一、绪论 1.1.研究背景及意义研究背景及意义 石羊河流域地处西北内陆干旱区，是我国典型的资源型缺石羊河流域地处西北内陆干旱区，是我国典型的资源型缺水地区，人均水资源占有量仅水地区，人均水资源占有量仅775775立方米，耕地亩均水资源立方米，耕地亩均水资源占有量仅占有量仅280280立方米，是河西走廊最早开采利用地下水的地立方米，是河西走廊最早开采利用地下水的地区。区。近二十年来，随着流域内经济社会的发展和人口的不断近二十年来，随着流域内经济社会的发展和人口的不断增
2、加，水资源供需矛盾日趋突出，水资源开发利用严重超载，增加，水资源供需矛盾日趋突出，水资源开发利用严重超载，现已成为河西走廊人口密度最大、水资源最短缺、供需矛盾现已成为河西走廊人口密度最大、水资源最短缺、供需矛盾最突出、生态与环境恶化最严重的流域。最突出、生态与环境恶化最严重的流域。2.2.地下水研究历程地下水研究历程 公元前公元前7世纪世纪公元公元1800年：感性认识、现象描述和主观推年：感性认识、现象描述和主观推测。测。18001940年：水文学理论取得了突破性进展，地下水水文年：水文学理论取得了突破性进展，地下水水文学的学科地位得以确立。学的学科地位得以确立。1940年后：以计算机技术、遥
3、感、年后：以计算机技术、遥感、GIS和数学模拟方法等诸和数学模拟方法等诸多方法的引入和应用为主要标志，地下水研究进入了的快速多方法的引入和应用为主要标志，地下水研究进入了的快速发展阶段。发展阶段。二、研究内容3.3.研究现状研究现状 地下水受自然因素与人为因素共同影响，具有强烈地下水受自然因素与人为因素共同影响，具有强烈的时空变化特点，其动态过程存在地区上的差异性以的时空变化特点，其动态过程存在地区上的差异性以及随时间变化的特点，特别是容易受到外界条件影响及随时间变化的特点，特别是容易受到外界条件影响的浅层地下水，这种地区上的特征及多年变化比较明的浅层地下水，这种地区上的特征及多年变化比较明显
4、。显。现阶段，数学模型法是研究地下水变化的主要方现阶段，数学模型法是研究地下水变化的主要方法，此类方法大体分为确定性模型和随机模型：法，此类方法大体分为确定性模型和随机模型：二、研究内容（1 1）确定性模型）确定性模型 由地下水运动微分方程、控制方程、初始条件由地下水运动微分方程、控制方程、初始条件和边界条件构成的数学模型，常用解析法、物理法、和边界条件构成的数学模型，常用解析法、物理法、数值法数值法进行模拟求解。进行模拟求解。（2 2）随机模型）随机模型 地下水动态受多种因素的影响，包括气象、水地下水动态受多种因素的影响，包括气象、水文、地质、人为活动等，可以用文、地质、人为活动等，可以用概
5、率统计分析概率统计分析方法方法找出这些不确定性因素的规律，从而建立相应的随找出这些不确定性因素的规律，从而建立相应的随机模型。机模型。二、研究内容模型比较：模型比较：确定性模型确定性模型 1）能比较准确的预测地下水动态变化2）基于许多假设条件基础之上建立起来的，很难真实地模拟实际复杂的水文地质条件。随机模型随机模型1）无法表示出系统各个要素之间的动力学关系2）对于缺乏地下水地质资料或者含水层参数资料不足，却积累一定数量的水文气象、开采量和地下水动态资料时，实用而有效。20世纪世纪80年代开始年代开始 热衷于探讨石羊河流域地下水资源的综合开发利用状况，地下水动态变化特征、水资源转化等问题。步入步
6、入90年代后年代后 引入先进技术，在地下水系统管理模式、水资源合理利用途径、地下水来源及年龄、流域环境变化、水资源承载能力与可持续发展研究等方面作了相关研究。4.石羊河流域水资源研究现状石羊河流域水资源研究现状二、研究内容20002000年至今年至今 1 1）遥感、同位素技术遥感、同位素技术被广泛应用于对探测地下水空间被广泛应用于对探测地下水空间分布、地下水来源、流路、年龄等研究中；分布、地下水来源、流路、年龄等研究中；2 2）数值模拟软件数值模拟软件、一般统计学方法一般统计学方法、地统计学方法地统计学方法被被广泛应用于模拟地下水系统的动态过程以及时空分布广泛应用于模拟地下水系统的动态过程以及
7、时空分布变化，并进一步探讨影响地下水动态变化的因子；变化，并进一步探讨影响地下水动态变化的因子；3 3）数学模型方法数学模型方法建立水资源评价指标，来评价石羊河建立水资源评价指标，来评价石羊河流域水资源承载能力、水资源脆弱性以及水资源危机流域水资源承载能力、水资源脆弱性以及水资源危机等。等。二、研究内容代表性的文献有：代表性的文献有：肖笃宁（肖笃宁（20032003）地统计学和地统计学和GISGIS结合结合，定量研究了民勤，定量研究了民勤绿洲地下水埋深和矿化度的空间变异特征及其与土地利用变化的关系；绿洲地下水埋深和矿化度的空间变异特征及其与土地利用变化的关系；张若玲（张若玲（20062006）
8、利用利用水平衡方法、同位素技术、地球化水平衡方法、同位素技术、地球化学技术分析学技术分析总结了整个地区的地下水动态分布特征、同位素特征以及总结了整个地区的地下水动态分布特征、同位素特征以及水化学分布规律；水化学分布规律；孙艳伟（孙艳伟（20072007）采用采用综合指数法、灰色关联投影法和基综合指数法、灰色关联投影法和基于于MATLABMATLAB的人工神经网络的人工神经网络，并结合地，并结合地GISGIS对流域内各个分区的地下对流域内各个分区的地下水脆弱性进行评价；水脆弱性进行评价；Zhenmei MaZhenmei Ma（20082008）通过通过统计学方法统计学方法分析了石羊河流域分析了
9、石羊河流域的径流量变化趋势和改变点，评估了气候变化和人类活动对流域径流的径流量变化趋势和改变点，评估了气候变化和人类活动对流域径流的影响。的影响。二、研究内容 小结：小结：大致包括以下研究内容：大致包括以下研究内容：（1 1）地下水文要素的动态变化特征及时空分布；）地下水文要素的动态变化特征及时空分布；（2 2）地下水资源开发利用对生态环境的影响问题）地下水资源开发利用对生态环境的影响问题 （3 3）流域水资源分布特征及水资源转化规律的研究；）流域水资源分布特征及水资源转化规律的研究；（4 4）地下水资源管理模式优化及可持续利用评价）地下水资源管理模式优化及可持续利用评价 （5 5）气候变化和
10、人类活动对水资源变化的影响。）气候变化和人类活动对水资源变化的影响。二、研究区概况 石石羊羊河河流流域域水水资资源源比比较较贫贫乏乏，属属资资源源性性缺缺水水区区。从从90年年代代末末期期开开始始，地地下下水水就就已已经经逐逐步步成成为为石石羊羊河河流流域域的的主主要要供供水水水源，年平均开采量占全流域水资源利用总量的水源，年平均开采量占全流域水资源利用总量的50%以上。以上。三、三、石羊河流域地下水位石羊河流域地下水位年际变化特征年际变化特征1.1.原理原理 根据地下水水位数据的特征，一个非稳定的地下水时间根据地下水水位数据的特征，一个非稳定的地下水时间序列的组合模型，可表达为序列的组合模型
11、，可表达为:h(t)=T(t)+P(t)+R(t)h(t)=T(t)+P(t)+R(t)其中其中:h(t):h(t)为地下水水位；为地下水水位；T(t)T(t)为趋势函数；为趋势函数；P(t)P(t)为周期函数；为周期函数；R(t)R(t)为随机特征函数；为随机特征函数；t t为时间。为时间。1.11.1趋势及突变点检验趋势及突变点检验趋势检验趋势检验Mann-KendallMann-Kendall检验检验 原假设原假设H0:时间序列数据时间序列数据(x1，xn)是是n个独立的、随个独立的、随机变量同分布的样本机变量同分布的样本；备择假设；备择假设H1是双边检验是双边检验:对于所有对于所有的的
12、k，jn且且kj，xk和和xj的分布是不相同的，的分布是不相同的，Mann-Kendall检验的统计变量检验的统计变量S被定义为：被定义为：式中，分别为式中，分别为j，k年相应的测量值。且年相应的测量值。且kj，当当n10时，标准的正态统计变量时，标准的正态统计变量Z可用可用 下式计算：突变点检验突变点检验Pettitt 检验检验 水水文文序序列列变变点点检检测测与与识识别别是是上上世世纪纪7070年年代代以以来来统统计计技技术术方方面面的的研研究究热热点点，主主要要用用以以确确定定水水文文序序列列中中突突然然出出现现变变化的点，将时间序列划分为差异明显的各子时间段。化的点，将时间序列划分为差
13、异明显的各子时间段。则最显著的突变点为则最显著的突变点为:突变点的显著性水平可以通过下式计算得出突变点的显著性水平可以通过下式计算得出:1.21.2时间序列模型时间序列模型 一个非稳定的地下水时间序列的组合模型是由趋势函一个非稳定的地下水时间序列的组合模型是由趋势函数数T(t)T(t)、周期函数、周期函数P P（t t）和随机特征函数）和随机特征函数R(t)R(t)线性组合而成，线性组合而成，模型的每一项模型的每一项 由以下函数构建：由以下函数构建：（1 1）趋势拟合趋势拟合（2）周期性分析）周期性分析 分离趋势项后，对剩余的序列进行周期分析，主要分离趋势项后，对剩余的序列进行周期分析，主要采
14、用谐波分析法识别和提取周期项采用谐波分析法识别和提取周期项P(t)P(t)。（3 3）自相关特征分析）自相关特征分析 消除趋势项和近似周期项后的剩余序列为平稳随机系消除趋势项和近似周期项后的剩余序列为平稳随机系列项，可直接对其用自回归模型求解列项，可直接对其用自回归模型求解 R(t)=0+1R(t-1)+2R(t-2)+pR(t-p)2.2.数据说明数据说明3结果分析结果分析3.1地下水位年际变化特征及原因分析地下水位年际变化特征及原因分析 根据上述六个监测井地下水位随时间的根据上述六个监测井地下水位随时间的变化过程，可将其划分为以下四种模式：变化过程，可将其划分为以下四种模式：（1）单调下降
15、型）单调下降型 （2）波动衰减型）波动衰减型 （3）中末期加速型）中末期加速型 （4）末期趋稳型）末期趋稳型变化模式分类变化模式分类 自自19841984年至年至20052005年，分别由年，分别由2.022.02和和2.222.22亿立方米，减少亿立方米，减少到到0.780.78和和1.071.07亿立方米亿立方米,平均每年都以平均每年都以0.050.05亿立方米的速度逐亿立方米的速度逐年减少，整体也呈现逐年下降趋势。年减少，整体也呈现逐年下降趋势。3.2地下水位阶段变化特征及原因分析地下水位阶段变化特征及原因分析地下水位年际变化的模拟地下水位年际变化的模拟 R(t)=0+1R(t-1)+2
16、R(t-2)+pR(t-p)四、四、石羊河流域地下水位石羊河流域地下水位空间分布特征空间分布特征1.1.原理原理 1.1 1.1数字地下水位模型的概念数字地下水位模型的概念 数字地下水位模型（数字地下水位模型（Digital Watertable ModelDigital Watertable Model，简称，简称DWTM)DWTM)，采用规则格网数据结构，该格网有多个大小相同，采用规则格网数据结构，该格网有多个大小相同且互相相邻的单元格组成，每一单元格的行列编号表示该且互相相邻的单元格组成，每一单元格的行列编号表示该单元格所对应位置的单元格所对应位置的X X、Y Y坐标，而单元格的值表则示
17、该坐标，而单元格的值表则示该X X、Y Y坐标点的地下水位。坐标点的地下水位。1.21.2协同克立格空间插值方法协同克立格空间插值方法 协协同同克克里里格格法法利利用用多多个个变变量量之之间间的的互互相相关关性性，用用这这些些变变量量对对其其中中一一个个变变量量进进行行局局部部估估计计的的方方法法，但但是是只只有有当当两两个个变变量量之之间间相相关关性性较较大大时时，建建立立和和计计算算交交叉叉协协方方差差函函数数和和变变异异函函数数才才有有意意义义，协协同同克克里里格格估估计计才才能能够够保保证证精精确确和和有有效。其定义为：效。其定义为：设设点点处处第第个个变变量量为为待待估估变变量量，则
18、则其其估估计计量量是是K K个个协协同同区区域化变量样本点数据的线性组合：域化变量样本点数据的线性组合：2 2 数据说明数据说明3 3结果分析结果分析（1）地下水位的空间分布特征）地下水位的空间分布特征（2）地下水位下降幅度的空间分布特征）地下水位下降幅度的空间分布特征空间分布特征：空间分布特征：地下水位的逐级递减方向与地表水系方向相一致。地下水位的逐级递减方向与地表水系方向相一致。地下水位的变化存在明显的分带特征。地下水位的变化存在明显的分带特征。民勤县东北部地区的地下水位低值区，逐渐向西南方向移民勤县东北部地区的地下水位低值区，逐渐向西南方向移动，地下水位低值区的面积有所扩大。动，地下水位
19、低值区的面积有所扩大。地下水位下降速度最大的地区为金川和武威交界处，地下地下水位下降速度最大的地区为金川和武威交界处，地下水位水位1818年间共下降了年间共下降了0.90.91.2m1.2m。民勤东北部以及武威、古浪东部的地下水位平均每年以的民勤东北部以及武威、古浪东部的地下水位平均每年以的速度下降，而在民勤红崖山和北山之间的地下水位以每年速度下降，而在民勤红崖山和北山之间的地下水位以每年的速度下降。的速度下降。（3）地下水位空间异质性的逐年变化特征地下水位空间异质性的逐年变化特征 1）基台值都较大，石羊河流域每年的空间总变异都处于较高水平；2）流域的空间相关性有逐年增长的趋势，但始终处于中等
20、相关水平。（4）地下水位的时空转移特征地下水位的时空转移特征四、四、民勤绿洲地下水系识别和格局分析民勤绿洲地下水系识别和格局分析1.1.原理原理 潜水作为第一个稳定隔水层之上的具有自由水面的浅潜水作为第一个稳定隔水层之上的具有自由水面的浅层地下水，可在重力作用下由高处向低处流动，并且在从层地下水，可在重力作用下由高处向低处流动，并且在从补给区向排泄区流动时形成潜水流，进而在整个流域范围补给区向排泄区流动时形成潜水流，进而在整个流域范围内构成地下水系。在不考虑包气带水从高水势向低水势流内构成地下水系。在不考虑包气带水从高水势向低水势流动时对潜水的垂直补给，以及承压水越层补给前提下，潜动时对潜水的垂直补给，以及承压水越层补给前提下，潜水在重力作用下由高水头处向低水头处流动时，在流域内水在重力作用下由高水头处向低水头处流动时，在流域内所形成的浅层地下径流是本章的研究对象。所形成的浅层地下径流是本章的研究对象。2.2.数据数据 2.2.结果结果